-
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung, umfassend eine Bleibatterie, deren negative Elektrode mit einem Massepotential verbunden ist, und eine Lithium-Ionen-Batterie, deren positive Elektrode mit der positiven Elektrode der Bleibatterie verbunden ist und deren Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand größer als die Ladespannung der Bleibatterie ist, wobei wenigstens ein Verbraucher des Kraftfahrzeugs an die Batterieanordnung angeschlossen ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs.
-
Moderne Fahrzeuge weisen eine zunehmende Anzahl von Verbrauchern, wie z. B. Riemenstartergeneratoren oder Turbolader, auf, die in einer sehr kurzen Zeit hohe Ströme von bis zu mehreren hundert Ampere benötigen. Ebenso werden vermehrt neue Rekuperationsverfahren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, was eine Zunahme an Lade- und Entladezyklen mit sich zieht. Herkömmliche Bleibatterien werden den Anforderungen dieser Technologien nicht gerecht.
-
Es sind daher Batterieanordnungen bekannt, die eine Bleibatterie mit einer parallel geschalteten Lithium-Ionen-Batterie umfassen, wobei die Leerlaufspannung der Lithium-Ionen-Batterie im vollständig geladenen Zustand größer ist als die Ladespannung der Bleibatterie. So wird erreicht, dass die Lithium-Ionen-Batterie nur teilgeladen ist, wenn die Bleibatterie nahezu vollständig geladen ist. Im Falle einer Spannungserhöhung durch Rekuperation ist die Ladeakzeptanz der Lithium-Ionen-Batterie damit ungleich höher als jene der Bleibatterie.
-
Die
DE 10 2012 007 575 B3 offenbart eine Energiespeicheranordnung mit wenigstens einem mehrere auf Blei basierende Speicherzellen aufweisenden ersten Energiespeicher und einem zu diesem parallel zuschaltbaren zweiten Energiespeicher, welcher aus einer Kombination verschiedener auf Lithium, Lithium-Titanat, Lithium-Eisen-Phosphor oder einer Nickel-Metallhydrid-Verbindung basierender Speicherzellen gebildet ist. Zusätzlich kann in Reihe zu den Speicherzellen ein Kondensator, insbesondere ein Doppelschichtkondensator, geschaltet sein.
-
Da Lithium-Ionen-Batterien jedoch bei niedrigen Außentemperaturen einen starken Anstieg des Innenwiderstandes aufweisen, haben herkömmliche Batterieanordnungen den Nachteil, dass ihre Leistung bei hohen Lastenforderungen erheblich von äußeren Umweltbedingungen abhängig ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung anzugeben, die in einer größeren Zahl von Betriebsfällen verlässlich einsetzbar ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Batterieanordnung einen weiteren Energiespeicher, dessen negative Elektrode mit dem Massepotential verbunden ist, und eine Umschalteinrichtung umfasst, mittels derer die negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Zuschaltereignissen an eine positive Elektrode des weiteren Energiespeichers und beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Rückschaltereignissen gegen das Massepotential umschaltbar ist.
-
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Spannung des zu der Bleibatterie parallel geschalteten, die Lithium-Ionen-Batterie umfassenden Schaltungszweigs, bedarfsabhängig zu erhöhen. Dazu wird in Abhängigkeit wenigstens eines Zuschaltereignisses der weitere Energiespeicher in Reihe zur Lithium-Ionen-Batterie geschaltet, so dass sich deren Spannungen addieren. Analog dazu kann bei wenigstens einem Rückschaltereignis, im einfachsten Fall also dem Wegfall des Zuschaltereignisses, die Batterieanordnung wieder in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden, so dass nur noch die Lithium-Ionen-Batterie und die Bleibatterie parallel zueinander geschaltet sind.
-
Für die beschriebenen Schaltaufgaben ist die Umschalteinrichtung vorgesehen, welche einen mechanischen Umschalter aufweisen kann, jedoch bevorzugt eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung mehrerer Leistungshalbleiterschalter aufweist. Darüber hinaus ist es besonders zweckmäßig, wenn die Umschalteinrichtung eine Steuerungseinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, das Eintreten von Zuschaltereignissen und Rückschaltereignissen zu erkennen und die Schalterelemente zu steuern.
-
Die Zuschaltereignisse und die Rückschaltereignisse werden dabei so gewählt, dass sie Betriebszustände abdecken, in welchen eine erhöhte Ausgangsspannung der Lithium-Ionen-Batterie benötigt wird. Dies kann insbesondere Fälle betreffen, in denen durch eine niedrige Außentemperatur, insbesondere unterhalb des Gefrierpunkts, der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie so stark zugenommen hat, dass bei der Abgabe hoher Ströme einen erheblichen Spannungseinbruch an ihrer positiven Elektrode auftritt. Zweckmäßig zu wählende Betriebsfälle werden im Weiteren detaillierter beschrieben.
-
Vorteilhafterweise kann mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeug ein Betrieb besonders stromintensiver Verbraucher in einer großen Anzahl von Betriebszuständen ermöglicht werden. Dabei müssen diese Betriebszustände lediglich durch geeignete Sensoren erfasst und durch die Steuerungseinrichtung erkannt werden. Durch das Zuschalten des weiteren Energiespeichers können so insbesondere temperaturbedingte Spannungseinbrüche der Lithium-Ionen-Batterie ausgeglichen oder zumindest abgemildert werden, so dass auch in diesen Fällen eine kurzfristige Belastung der Bleibatterie und eine damit verbundene Zyklisierung verhindert wird.
-
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass ein Zuschaltereignis ein Unterschreiten eines ersten Spannungsschwellwertes und/oder ein Rückschaltereignis ein Überschreiten eines, insbesondere größer als der erste Spannungsschwellwert gewählten, zweiten Spannungsschwellwertes durch die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie ist. Mithin wird vorgeschlagen, die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie zu erfassen und aus einem Unterschreiten eines ersten Spannungsschwellwertes ein Zuschaltereignis zu erkennen. Es kann so mittelbar der Innenwiderstand der Batterieanordnung erfasst und bei dessen Ansteigen der weitere Energiespeicher zugeschaltet werden. Analog dazu wird ein Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwertes als Rückschaltereignis gewertet, wobei es besonders sinnvoll ist, den zweiten Spannungsschwellwert oberhalb des ersten Spannungsschwellwertes zu wählen, so dass ein Hystereseverhalten erzielt wird, welches ein Oszillieren zwischen dem Zuschaltereignis und dem Rückschaltereignis verhindert. Selbstverständlich kann die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie auch aus anderen Spannungen, insbesondere jener an der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie oder an weiteren Stellen eines Bordnetzes des Kraftfahrzeuges, welche elektrisch leitend mit der positiven Elektrode der Bleibatterie verbunden sind, abgeleitet werden. Vorteilhafterweise werden durch diese Ausführungen somit sämtliche Fälle, in denen die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie ein kritisches Maß, nämlich den ersten Spannungsschwellwert, unterschreitet, abgedeckt und durch das Zuschalten des weiteren Energiespeichers behandelt.
-
Es kann ferner bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorgesehen sein, dass ein Zuschaltereignis ein Überschreiten eines ersten Stromschwellwertes und/oder ein Rückschaltereignis ein Unterschreiten eines, insbesondere kleiner als der erste Stromschwellwert gewählten, zweiten Stromschwellwertes durch den von der Batterieanordnung an die an sie angeschlossenen Verbraucher abgegebenen Strom ist. Es kann also alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass die Stromstärke, welche von der Batterieanordnung bereitgestellt wird, die Notwendigkeit eines Zuschaltens des weiteren Energiespeichers indiziert, während der erste Stromschwellwert überschritten wird. Es wird also über einen geringen Außenwiderstand der Batterieanordnung darauf geschlossen, dass die an den Verbrauchern anliegende Spannung erhöht werden soll. Analog kann beim Unterschreiten des zweiten Stromschwellwertes ein Rückschaltereignis ausgelöst werden. Dabei kann der erste Stromschwellwert mit dem zweiten Stromschwellwert identisch sein, es wird allerdings bevorzugt, dass der zweite Stromschwellwert kleiner als der erste Stromschwellwert gewählt ist, um wie bezüglich des Spannungsschwellwerts erläutert ein Hystereseverhalten zu realisieren.
-
Es ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug des Weiteren vorteilhaft, wenn ein Zuschaltereignis das Aktivieren und/oder ein Rückschaltereignis das Deaktivieren wenigstens eines Verbrauchers, insbesondere eines Turboladers und/oder eines Startergenerators, ist. Es wird somit insbesondere das Einschalten und/oder Ausschalten des Verbrauchers für das Zuschalten des weiteren Energiespeichers verwendet. Als Verbraucher kommen dabei insbesondere solche in Betracht, die kurzfristig einen sehr hohen Strom der Batterieanordnung aufnehmen, wie beispielsweise Turbolader oder Startergeneratoren, insbesondere Riemenstartergeneratoren. Da bei modernen Kraftfahrzeugen der Betriebszustand, also auch das Aktivieren und/oder Deaktivieren von Verbrauchern, häufig als Information auf einem Fahrzeugbussystem bereitsteht, kann so vorteilhafterweise der Bedarf eines Zuschaltens des weiteren Energiespeichers sehr einfach erkannt werden.
-
Es ist bei einem solchen Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft, wenn die für den Zeitpunkt seines Zuschaltens vorgesehene Betriebsspannung des weiteren Energiespeichers größer als ein Spannungseinbruch, der im Zeitpunkt des Einschaltens des Verbrauchers an der positiven Elektrode der Bleibatterie auftritt, gewählt ist. Es ist also zweckmäßig, bei bekannten Verbrauchern die über die Leerlaufspannung des weiteren Energiespeichers so auszulegen, dass der von ihnen verursachte Spannungseinbruch wenigstens kompensiert wird.
-
Die Dimensionierung des weiteren Energiespeichers hängt auch von der Spannung des Bordnetzes ab. Bei einem 12-V-Bordnetz ist es daher besonders vorteilhaft, wenn der weitere Energiespeicher dazu ausgebildet ist, beim Zuschalten eine Spannung zwischen 1,0 und 3,7 V, bevorzugt zwischen 1,5 und 3,0 V, bereitzustellen. Es ist besonders zweckmäßig, wenn er eine Nennkapazität von wenigstens 2500 As, bevorzugt 3500 As, aufweist. Es ist ferner besonders vorteilhaft, wenn der weitere Energiespeicher so ausgebildet ist, dass ausgehend von einem aufgeladenen Zustand in einer jeweiligen Konfiguration der Batterieanordnung seine Betriebsspannung nach Abgabe einer Ladung von bis zu 2000 As, bevorzugt bis zu 2700 As, ohne zwischenzeitliches Nachladen um höchstens 1,0 V reduziert ist. Vorteilhafterweise können so bei mehreren Zuschaltereignissen (z. B. dreimaliges Zuschalten für jeweils 3 s bei einer mittleren Stromabgabe von 300 A) Spannungseinbrüche ohne erneutes Zwischenladen kompensiert werden.
-
Es ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft, wenn der weitere Energiespeicher eine weitere Lithium-Ionen-Batterie ist. Dabei kann jene Lithium-Ionen-Batterie, deren negative Elektrode an eine positive Elektrode dieser weiteren Lithium-Ionen-Batterie und gegen das Massepotential umschaltbar ist, auch als erste Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet werden. Es wird dabei bevorzugt, wenn die weitere Lithium-Ionen-Batterie genau eine Lithium-Ionen-Zelle umfasst. Insbesondere bei 12-V-Bordnetzen wird das Vorsehen genau einer Lithium-Ionen-Zelle eine zweckmäßige Erhöhung der Spannung an der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie bewirken. Zweckmäßig ist eine solche Wahl auch insbesondere dann, wenn die Höhe der zu erwartenden Stromaufnahme eines Verbrauchers unbekannt ist. Vorteilhafterweise wird bei einem 12-V-Bordnetz so die Bordnetzspannung beim Zuschalten der weiteren Lithium-Ionen-Batterie um 1,0 bis 3,7 V, bevorzugt um 1,0 bis 3,0 V, erhöht, so dass eine Vielzahl von Lastfällen kompensiert werden können. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die weitere Lithium-Ionen-Batterie aus wenigstens einer Lithium-Titanat-Zelle gebildet ist. Solche aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Zellen weisen typischerweise eine Zellspannung von 2,2 V auf und eignen sich daher besonders für eine Verwendung im Rahmen der Batterieanordnung. Selbstverständlich kann auch die erstgenannte Lithium-Ionen-Batterie wenigstens eine Lithium-Titanat-Zelle umfassen.
-
Alternativ zu einer weiteren Lithium-Ionen-Batterie kann der weitere Energiespeicher vorteilhafterweise ein Superkondensator, insbesondere ein Doppelschichtkondensator, ein Pseudokondensator oder ein aus solchen Kondensatoren gebildeter Hybridkondensator, sein. Solche Kondensatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie große Ladungsmengen speichern können. Im Falle eines 12-V-Bordnetztes ist es zweckmäßig, wenn der Superkondensator eine Nennspannung zwischen 1,5 und 3,0 V und/oder eine Kapazität von wenigstens 1000 F aufweist. Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Kapazität wenigstens 2500 F beträgt, so dass mit einem voll aufgeladenen Superkondensator mehrfach hintereinander hohe Ströme (z. B. in der Größenordnung von 300 A) bei einer ausreichenden Spannung bereitgestellt werden können, ohne den Superkondensator erneut vollständig aufladen zu müssen. Beim Betrieb eines 24-V-Bordnetzes sind diese Werte selbstverständlich anzupassen.
-
Es ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug des Weiteren zweckmäßig, wenn ein Zuschaltereignis das Absinken wenigstens einer Temperatur, insbesondere der Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs und/oder einer an einer der Batterien erfassten Temperatur, unter einen Temperaturschwellwert ist. Es wird dabei bevorzugt, wenn die Temperatur unmittelbar an der Lithium-Ionen-Batterie mittels eines Sensors erfasst wird, um durch Zuschalten des weiteren Energiespeichers unmittelbar auf die temperaturspezifischen Änderungen der Betriebsparameter reagieren zu können. Es wird ferner bevorzugt, wenn ein Temperaturschwellwert als Zuschaltereignis zusätzlich zu einem der bereits beschriebenen Zuschaltereignisse verwendet wird. So kann mit Vorteil das Verhalten der Batterieanordnung noch genauer an Umgebungsbedingungen angepasst werden.
-
Daneben ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Batterieanordnung wenigstens einen Gleichspannungswandler umfasst, welcher zur Bereitstellung einer Ladeleistung für die den weiteren Energiespeicher ausgebildet ist. Da der weitere Energiespeicher typischerweise eine niedrigere Betriebsspannung als die Lithium-Ionen-Batterie aufweist, ist der Gleichspannungswandler vorzusehen, um dem weiteren Energiespeicher eine Ladeleistung mit einer angepassten gewandelten Ladespannung zuzuführen. Zweckmäßigerweise ist der Gleichspannungswandler eingangsseitig mit der positiven Elektrode der Bleibatterie oder der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie verbunden, so dass er deren Spannung auf die erforderliche Ladespannung des weiteren Energiespeichers herabsetzen kann. Der Gleichspannungswandler kann dabei insbesondere eine Nennleistung zwischen 30 und 80 W, bevorzugt zwischen 45 und 55 W, aufweisen.
-
Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug von besonderem Vorteil, wenn die Batterieanordnung, insbesondere ihr Gleichspannungswandler, dazu ausgebildet ist, den weiteren Energiespeicher bei einer niedrigen Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie bis zu einer höheren Spannung aufzuladen als bei einer höheren Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie. Es wird mithin vorgeschlagen, die Spannung, bis zu welcher der weitere Energiespeicher aufgeladen wird, von der Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie abhängig zu machen. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn der weitere Energiespeicher ein Superkondensator ist. Da bei geringen Temperaturen der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie ansteigt, ist es besonders vorteilhaft, wenn der zugeschaltete weitere Energiespeicher in einem solchen Fall auch eine höhere zusätzliche Spannung zur Kompensation bereitstellt. Dazu kann die Steuerungseinrichtung eine erfasste Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie auswerten und das Aufladen des weiteren Energiespeichers, insbesondere mittels des Gleichspannungswandlers, steuern.
-
Schließlich ist es bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft, wenn die Umschalteinrichtung dazu ausgebildet ist, die Lithium-Ionen-Batterie beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Trennereignissen galvanisch vom Massepotential zu trennen. Die Umschalteinrichtung weist dazu einen weiteren Schaltzustand auf, in welchem die Lithium-Ionen-Batterie vom Massepotential getrennt ist. Als Trennereignis kommt insbesondere eine für die Lithium-Ionen-Batterie unzulässige Über- und/oder Unterspannung in Betracht, welche zur dauerhaften Schädigung der Lithium-Ionen-Batterie führen kann. Vorteilhafterweise wird so eine üblicherweise ohnehin erforderliche Sicherheitsfunktionalität für die Lithium-Ionen-Batterie gleichzeitig durch die Umschalteinrichtung realisiert.
-
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batterieanordnung eine Bleibatterie, deren negative Elektrode mit einem Massepotential verbunden ist, und eine Lithium-Ionen-Batterie, deren positive Elektrode mit der positiven Elektrode der Bleibatterie verbunden und deren Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand größer als die Ladespannung der Bleibatterie ist, umfasst und wenigstens ein Verbraucher des Kraftfahrzeugs an die Batterieanordnung angeschlossen ist, wobei die Batterieanordnung einen weiteren Energiespeicher, dessen negative Elektrode mit dem Massepotential verbunden ist, und eine Umschalteinrichtung umfasst, mittels derer die negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Zuschaltereignissen an die positive Elektrode des weiteren Energiespeichers und beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Rückschaltereignissen gegen das Massepotential umgeschaltet wird.
-
Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, so dass auch mit diesen die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Batterieanordnung,
-
2 einen Verlauf der Spannung an einer positiven Elektrode einer Bleibatterie der in 1 gezeigten Batterieanordnung sowie des an die an sie angeschlossenen Verbraucher abgegebenen Stroms über die Zeit, wobei Spannungsschwellwerte als Zuschaltereignisse verwendet werden, und
-
3 einen Verlauf der Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie der in 1 gezeigten Batterieanordnung sowie des an die an sie angeschlossenen Verbraucher abgegebenen Stroms über die Zeit, wobei das Aktivieren und Deaktivieren eines Verbrauchers als Zuschaltereignisse verwendet werden.
-
1 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 1, umfassend eine Batterieanordnung 2, drei Verbraucher 3, 4, 5 und ein Bussystem 6.
-
Der Verbraucher 3 ist dabei als elektrischer Turbolader und der Verbraucher 4 als Startergenerator ausgebildet, wobei beide über das Bussystem 6 steuerbar sind und Betriebsinformationen mit diesem austauschen. Der Verbraucher 5 steht beispielhaft für weitere im Kraftfahrzeug 1 vorhandene Verbraucher. Die Verbraucher 3, 4, 5 sind mit einem Massepotential 7 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden.
-
Die Batterieanordnung 2 weist eine Klemme 8, an die die Verbraucher 3, 4, 5 angeschlossen sind, sowie eine Bleibatterie 9, eine Lithium-Ionen-Batterie 10, einen weiteren Energiespeicher 11, eine Umschalteinrichtung 12 und einen Gleichspannungswandler 13 auf. Daneben sind ein Spannungsmessgerät 14, ein Strommessgerät 15 und ein Temperatursensor 16 vorgesehen.
-
Die Bleibatterie 9 ist ein herkömmlicher Bleiakkumulator mit einer Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand von etwa 12,6 V. Eine positive Elektrode 17 der Bleibatterie 9 ist über das Strommessgerät 15 mit der Klemme 8 und eine negative Elektrode 18 der Bleibatterie 9 mit dem Massepotential 7 verbunden. Parallel zur Bleibatterie 9 ist das Spannungsmessgerät 14 angeordnet.
-
Die Lithium-Ionen-Batterie 10 umfasst sechs Lithium-Titanat-Zellen, sodass sich eine Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand von etwa 13,2 V ergibt. Alternativ kann sie auch aus vier Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Zellen mit einer Gesamtspannung von 14,4 V ausgebildet sein. Eine positive Elektrode 19 der Lithium-Ionen-Batterie 10 ist mit der positiven Elektrode 17 der Bleibatterie 9 und eine negative Elektrode 20 der Lithium-Ionen-Batterie 10 mit der Umschalteinrichtung 12 verbunden. Der Temperatursensor 16 ist der Lithium-Ionen-Batterie 10 zugeordnet und zur Erfassung ihrer Betriebstemperatur ausgebildet.
-
Der weitere Energiespeicher 11 ist eine weitere Lithium-Ionen-Batterie und umfasst eine Lithium-Titanat-Zelle mit einer Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand von etwa 2,2 V bei einer Nennkapazität von 2500 As. Er weist eine Verbindung seiner positiven Elektrode 21 mit der Umschalteinrichtung 12 auf, während seine negative Elektrode 22 gegen das Massepotential 7 geschaltet ist.
-
Die Umschalteinrichtung 12 umfasst einen Schalter 23 und eine Steuerungseinrichtung 24. Der Schalter 23 weist einen gemeinsamen Kontakt 25, der mit der negativen Elektrode 20 der Lithium-Ionen-Batterie 10 verbunden ist, sowie einen ersten Schaltkontakt 26, der mit der positiven Elektrode 21 des weiteren Energiespeichers 11 verbunden ist, auf. Ein zweiter Schaltkontakt 27 ist mit dem Massepotential 7 verbunden, wohingegen ein dritter Schaltkontakt 28 leerläuft. Der Schalter 23 ist mit einer aus dem Stand der Technik an sich bekannten Schaltung von Leistungshalbleiterbauelementen realisiert und wird von der Steuerungseinrichtung 24 gesteuert. Diese erhält Eingangssignale des Bussystems 6, des Spannungsmessgerätes 14, des Strommessgerätes 15 und des Temperatursensors 16.
-
Der Gleichspannungswandler 13 ist an seinem Eingang 29 mit der positiven Elektrode 19 der Lithium-Ionen-Batterie 10 und an seinen Ausgängen 30 mit der positiven Elektrode 21 und der negativen Elektrode 22 des weiteren Energiespeichers 11 verbunden. Sein Bezugspotential ist das Massepotential 7. Er wandelt die an seinem Eingang 29 anliegende Spannung von etwa 13,2 V in eine Ladespannung für den weiteren Energiespeicher 11 und weist eine Nennleistung von 50 W auf.
-
In einem üblichen Betriebsfall ist der Schalter 23 mit dem zweiten Schaltkontakt 27 verbunden, so dass die Bleibatterie 9 parallel zur Lithium-Ionen-Batterie 10 mit der Klemme 8 verbunden ist. Der weitere Energiespeicher 11 wird über den Gleichspannungswandler 13 lediglich aufgeladen, das heißt, die positive Elektrode 21 ist mit keiner anderen Komponente der Batterieanordnung 2 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Kommt es in diesem Betriebszustand beispielsweise zu einer Rekuperation elektrischer Energie in die Batterieanordnung 2, so wird zunächst die Lithium-Ionen-Batterie 10 geladen, da sie einen niedrigeren Ladewiderstand als die Bleibatterie 9 aufweist. Da die Lithium-Ionen-Batterie 10 für eine deutlich höhere Anzahl von Lade- und Entladezyklen als die Bleibatterie 9 ausgelegt ist, wird die Bleibatterie 9 so geschont und kann eine höhere Einsatzdauer erreichen.
-
Kommt es aus diesem Betriebsfall zu einem Zuschalten einer sehr hohen Last, hier exemplarisch eine Aktivierung des Turboladers 3, so sinkt die mit dem Spannungsmessgerät 14 erfasste Spannung zwischen der positiven Elektrode 17 der Bleibatterie und ihrer negativen Elektrode 18. Dies wird verursacht durch den Spannungsabfall über den Innenwiderstand der parallel geschalteten Bleibatterie 9 und der Lithium-Ionen-Batterie 10. Dieser Spannungsabfall kann besonders bei sehr tiefen Temperaturen so stark sein, dass die Verbraucher 4, 5 keine ausreichende Betriebsspannung mehr erhalten und Fehlerfälle eintreten können. Das gesamte Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 kann so mithin instabil werden.
-
Der zeitliche Verlauf eines solchen Betriebsfalles ist in 2 gezeigt, die ein Diagramm ist und auf deren Hochachse eine Spannung U und ein Strom I über die Zeit t aufgetragen sind. Dabei zeigen durchgezogene Linien die vom Spannungsmessgerät 14 erfasste Spannung 31 und den vom Strommessgerät 15 erfassten Strom 32. Daneben sind ein erster Spannungsschwellwert 33 und ein zweiter Spannungsschwellwert 34 sowie ein Einschaltzeitpunkt 35 und ein Ausschaltzeitpunkt 36 des Turboladers 3 eingetragen. Vor dem Einschaltzeitpunkt 35 weist die Spannung 31 einen Wert von 13,2 V auf, was dem üblichen Betriebsfall entspricht, wenn der Schalter 23 am zweiten Schalterkontakt 27 anliegt. Zum Einschaltzeitpunkt 35 kommt es wie beschrieben zu einem Einbruch der Spannung 31 unter dem ersten Spannungsschwellwert 33, welcher hier als 12,0 V gewählt ist. Die Steuerungseinrichtung 24 erkennt nun das Erreichen des ersten Spannungsschwellwertes 33 und schaltet den Schalter 23 an den ersten Schalterkontakt 26, so dass nun die Lithium-Ionen-Batterie 10 mit dem weiteren Energiespeicher 11 in Reihe geschaltet parallel zur Bleibatterie 9 liegt. Die Spannung 31 erhöht sich dementsprechend um die Spannung des weiteren Energiespeichers 11.
-
Da der Strom 32 nach dem Einschaltzeitpunkt 35 absinkt, verringert sich der Spannungsabfall über den Innenwiderstand, so dass zu einem Zeitpunkt 37 der zweite Spannungsschwellwert 34 erreicht ist. Da dies als Rückschaltereignis definiert ist, wird der Schalter 33 wieder auf den zweiten Schalterkontakt 37 mittels der Steuereinrichtung 24 geschaltet. Dadurch liegt die negative Elektrode 20 der Lithium-Ionen-Batterie 10 wieder am Massepotential 7 an. Die Spannung 31 fällt daraufhin auf einen Wert oberhalb des ersten Spannungsschwellwertes 33 ab und steigt erst zum Ausschaltzeitpunkt 36 wieder auf den Wert von 13,2 Volt. Zu diesem Zeitpunkt fällt der Strom 32 auch wieder ab. Eine gestrichelte Linie zeigt den Verlauf einer Spannung 38 der sich ergäbe, wenn der weitere Energiespeicher 11 nicht zugeschaltet werden würde beziehungsweise nicht vorgesehen wäre. Der Verlauf der Spannung 31 ist demgegenüber vorteilhafterweise deutlich stabiler.
-
Alternativ oder zusätzlich zu den Spannungsschwellwerten 33, 34 können auch ein erster Stromschwellwert 39 und ein zweiter Stromschwellwert 40 festgelegt sein, wobei die Steuerungseinrichtung 24 beim Überschreiten des ersten Stromschwellwertes 39 den weiteren Energiespeicher 11 zuschaltet und beim Unterschreiten des zweiten Stromschwellwertes 40 die negative Elektrode 20 der Lithium-Ionen-Batterie 10 wieder gegen das Massepotential 7 schaltet. Dazu erfasst die Steuerungseinrichtung 24 auch die vom Spannungsmessgerät 15 erfasste Stromstärke, die durch die Klemme 8 fließt.
-
Das Schaltverhalten der Umschalteinrichtung 12 wurde zuvor exemplarisch am Beispiel des Zuschaltens des Turboladers 3 beschrieben. Da als Zuschalt- und Rückschaltereignis lediglich von dem Spannungsmessgerät 14 und dem Strommessgerät 15 erfasste innere Parameter der Batterieanordnung 2 verwendet werden, ergibt sich dieses Schaltverhalten der Steuerungseinrichtung 24 auch beim Zuschalten beliebiger anderer sehr hoher Lasten, insbesondere auch im Falle eines Verbrauchers 5, der nicht mit dem Bussystem 6 verbunden ist. Wird jedoch der Startergenerator 4 hinzugeschaltet, von dem bekannt ist, dass er eine hohe bis sehr hohe Last darstellt, so wird dies vom Bussystem 6 erfasst und von der Steuerungseinrichtung 24 ausgewertet. Dieses ist dazu ausgebildet, das Aktivieren des Startergenerators 4 als Zuschaltereignis und sein Deaktivieren als Rückschaltereignis zu verwenden.
-
Dieser Betriebsfall ist in 3 gezeigt, in der wie in 2 eine Spannung U und ein Strom I über die Zeit t aufgetragen sind. Zum Zeitpunkt 35 wird der Riemenstartergenerator aktiviert, wobei der durch das Einschalten bedingte Spannungsabfall, der von dem Spannungsmessgerät 14 erfasst wird, nicht den ersten Spannungsschwellwert 33 unterschreitet. Da aber alleine das vom Bussystem 6 übermittelte Aktivieren als Einschaltsignal verwendet wird, wird der weitere Energiespeicher 11 trotzdem hinzugeschaltet, indem der Schalter 33 vom zweiten Schalterkontakt 27 zum ersten Schalterkontakt 26 umgeschaltet wird. Die Spannung 31 steigt somit zum Zeitpunkt 35 um den Betrag der Spannung des weiteren Energiespeichers 11 an. Zum Zeitpunkt 36 wird der Startergenerator 4 deaktiviert, wobei wie gezeigt der Strom 32 wieder abfällt, und der Schalter 33 wieder zum zweiten Schalterkontakt 27 schaltet. Die Lithium-Ionen-Batterie 10 liegt mit ihrer negativen Elektrode 20 also wieder am Massepotential und die Spannung 31 sinkt auf die Spannung von 13,2 Volt ab.
-
Des Weiteren ist die Steuerungseinrichtung 24 dazu ausgebildet, die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie 10 mittels des Temperatursensors 16 kumulativ zu dem zuvor beschriebenen Zu- beziehungsweise Rückschaltereignis zu berücksichtigen. Da der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie 10 auch von ihrer Temperatur abhängt, ist ein Zuschalten des weiteren Energiespeichers 11 beim Aktivieren des Startergenerators 4 nicht notwendig, wenn aufgrund einer ausreichend hohen Temperatur kein ungünstiger Spannungseinbruch an der Klemme 8 zu erwarten ist. Das in 3 gezeigte Betriebsverhalten wird also nur bei vom Temperatursensor 16 erfassten Temperaturen unterhalb von 5°C von der Steuerungseinrichtung 24 veranlasst. Derartige Temperaturgrenzwerte können sich innerhalb eines weiteren Bereichs möglicher Betriebstemperaturen befinden und sind in starker Abhängigkeit zur Konfiguration der Batterieanordnung 2 experimentell oder durch Simulation zu bestimmen.
-
Schließlich ist die Steuerungseinrichtung 24 auch derart mit der Lithium-Ionen-Batterie 10 verbunden, dass sie in der Lage ist, eine schädigende Über- und Unterspannung an ihr zu erkennen. Solche Betriebszustände sind als Trennereignisse definiert. Die Steuerungseinrichtung 24 erkennt diese und schaltet den Schalter 23 zum dritten Schalterkontakt 28. Die Lithium-Ionen-Batterie 10 ist damit getrennt und kann durch die vorliegende Überbeziehungsweise Unterspannung nicht beschädigt werden.
-
Im Rahmen eines der 1 entsprechenden zweiten Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 1 ist der weitere Energiespeicher 11 als ein als Hybridkondensator ausgebildeter Superkondensator realisiert.
-
Dieser weist eine Kapazität von 2500 F und eine Nennspannung von 2,2 V auf, so dass die von ihm speicherbare Ladung rund 5500 As beträgt. Diese Ladung reicht dazu aus, beim Aktivieren eines Turboladers 3, der für eine Zeitspanne von 3 s im Mittel einen Strom von 300 A aufnimmt, eine ausreichende zusätzliche Spannung für eine Lithium-Ionen-Batterie 10 bereitzustellen. Darüber hinaus kann auch nach einem weiteren gleichartigen Lastfall immer noch eine zusätzliche Spannung von rund 1,8 V und nach einem dritten Aktivieren des Turboladers 3 eine zusätzliche Spannung von rund 1,5 V bereitgestellt werden, ohne den weiteren Energiespeicher 11 in der Zwischenzeit erneut aufzuladen. Dadurch wird eine akzeptable Kompensation des Spannungseinbruchs, der durch das Zuschalten des Turboladers 3 entsteht, erreicht.
-
Darüber hinaus ist ein Gleichspannungswandler 13 mit der Steuerungseinrichtung 24 verbunden und wird von ihr gesteuert. Dabei wertet die Steuerungseinrichtung 24 die vom Temperatursensor 16 erfasste Temperatur aus und gibt bei niedrigen Temperaturen der Lithium-Ionen-Batterie 10 eine Ladespannung von 2,2 V vor, welche mit steigender erfasster Temperatur auf 1,8 V fällt.
-
Die übrigen Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel lassen sich analog auf das zweite Ausführungsbeispiel übertragen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012007575 B3 [0004]
